孫瑞剛，陶少雄，管林杰，張國帥

（1.中國南水北調(diào)集團有限公司，100036，北京；2.中國南水北調(diào)集團江漢水網(wǎng)建設(shè)開發(fā)有限公司，430048，武漢；3.長江設(shè)計集團有限公司，430048，武漢）

近年，隨著云計算、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)浪潮的到來，以“感知、互聯(lián)、智能”為特點的智慧化應(yīng)用極大地優(yōu)化了各個行業(yè)的行為方式。水利部門秉承“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”的目標，以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑，深入推動智慧水利體系建設(shè)。數(shù)字孿生作為實現(xiàn)物理系統(tǒng)向信息空間數(shù)字化模型映射的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)成為“信息水利”向“智慧水利”跨越的重要手段。引江補漢工程是推進南水北調(diào)后續(xù)工程高質(zhì)量發(fā)展的首個開工項目，工程以深埋長隧洞為主，地質(zhì)條件復(fù)雜、隧洞施工難度大、工程建設(shè)周期長、不確定因素多、管理難度大。為了服務(wù)引江補漢工程建設(shè)管理，支撐工程超前地質(zhì)預(yù)報、施工方案優(yōu)化，保障施工安全與進度、實現(xiàn)工程的精準化調(diào)度，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為主線，建設(shè)數(shù)字孿生引江補漢工程十分重要。

一、構(gòu)建思路

運用新一代信息技術(shù)，建立覆蓋工程全域的空—天—地感知網(wǎng)，實現(xiàn)引江補漢工程建設(shè)階段隧洞超前地質(zhì)預(yù)報、支護方案動態(tài)優(yōu)化，施工過程進度仿真、質(zhì)量管控、安全評價、投資預(yù)算管控；運營階段水量聯(lián)合調(diào)度、生態(tài)環(huán)保、安全監(jiān)測等物聯(lián)感知操控、全要素數(shù)字映射、可視化呈現(xiàn)、模擬仿真推演等，實現(xiàn)工程的數(shù)字化映射、智慧化模擬、精準化決策和“四預(yù)”功能，減少工程在物理空間的試錯和建設(shè)成本，提升工程建設(shè)效率，保證工程安全和質(zhì)量。

數(shù)字孿生引江補漢工程總體架構(gòu)由工程基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字底座、智能運行中樞、數(shù)字孿生應(yīng)用體系四大橫向?qū)?，以及工程安全防線和標準規(guī)范兩大縱向?qū)訕?gòu)成。其中，工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供必要的基礎(chǔ)環(huán)境；數(shù)字底座是“算據(jù)”，為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐；智能運行中樞是能力中臺，也是工程大腦；工程數(shù)字孿生應(yīng)用體系是工程全生命周期各階段信息化、數(shù)字化、智能化和智慧化應(yīng)用。

二、框架設(shè)計

引江補漢的數(shù)字孿生體系是跨越工程建設(shè)、運營維護階段的一體化智慧工程，是高起點、高定位、多方協(xié)同的工作平臺。

1.全生命周期一體化管控

工程建設(shè)階段，以項目管理業(yè)務(wù)為核心，為參建各方提供統(tǒng)一高效的智慧施工協(xié)同平臺，用信息化手段搭建信息流轉(zhuǎn)和匯集樞紐，滿足不同層次參與者的信息共享需求。工程運營階段，以高效管理為核心，提供統(tǒng)一的數(shù)字化、可視化管理，利用數(shù)字孿生技術(shù)為輸水自動化、智能水量調(diào)度、水質(zhì)監(jiān)測管理、工程運行維護管理等提供技術(shù)支撐。

2.全方位施工管控、輔助決策

工程建設(shè)期以施工安全、進度、質(zhì)量管控為目標，以數(shù)字孿生和智慧建造為手段，充分利用一體化感知設(shè)施，實現(xiàn)對人、機、料、法、環(huán)、測施工全要素的感知操控，規(guī)范工程安全、質(zhì)量、進度、合同、物資等業(yè)務(wù)的日常管理。同時利用數(shù)字孿生技術(shù)重點解決長距離隧洞工程TBM施工過程中地理信息、地質(zhì)信息、主機工作狀態(tài)信息的快速獲取、快速解譯、快速集成、模擬推演，提高工程施工輔助智能控制與決策能力。

3.多工程聯(lián)合、智慧、精準調(diào)度

引江補漢工程的運行涉及范圍大、工程對象多，調(diào)度目標及邊界復(fù)雜，基于常規(guī)的單工程水量調(diào)度模型不僅過程復(fù)雜、計算量大，而且由于模型率定等原因難以獲得準確合理的結(jié)果，需要借助大數(shù)據(jù)分析建模方法，建立多個工程智能、精準聯(lián)合調(diào)度模型，充分考慮多個工程聯(lián)合調(diào)度需求，利用多個工程來水、用水、調(diào)水等多元數(shù)據(jù)，為多個工程聯(lián)合、智能、精準調(diào)度提供支撐。

4.創(chuàng)新科技應(yīng)用技術(shù)支撐平臺

采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和數(shù)字孿生等新技術(shù)，充分利用全要素數(shù)字映射、虛實融合互動、可視化呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)融合供給、模擬仿真推演，以及自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化等優(yōu)勢技術(shù)，為精準化決策和“四預(yù)”賦能，提升工程管理效率和水平。

三、建設(shè)內(nèi)容

1.基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)旨在采集和更新引江補漢全域地理空間信息、實景三維數(shù)據(jù)、全要素監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)、工程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等，確?，F(xiàn)實與虛擬的實時鏡像和同步運行。

①全域感知設(shè)施。采集和更新工程安全監(jiān)測信息、地質(zhì)巖層信息、TBM施工信息、渣土料場監(jiān)控信息、人員車輛定位信息、水量/水溫/水質(zhì)監(jiān)測信息、視頻信息、施工環(huán)境信息等。建設(shè)內(nèi)容包括隧洞內(nèi)地質(zhì)、環(huán)境等智能化監(jiān)測監(jiān)控設(shè)施設(shè)備、TBM智能感知設(shè)備、外部環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控設(shè)施、隧洞UWB（超寬帶）智能定位、車載GPS定位、智能視頻監(jiān)控（施工過程智能監(jiān)控、閘門泵站工情監(jiān)控）、水量、溫控、水質(zhì)等感知設(shè)施和移動采集設(shè)備。

②網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)施。為工程勘測、現(xiàn)場施工以及后期運營等提供數(shù)據(jù)感知和交互支持，保障隧洞內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)連接正常，以及與相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)交互響應(yīng)。建設(shè)內(nèi)容包括建設(shè)期現(xiàn)場接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)構(gòu)成的三層網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)施，以及運營期自建及租用的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)施。

③智能計算設(shè)施。為系統(tǒng)提供運行環(huán)境支持，同時滿足可視化引擎、模仿仿真引擎、計算分析引擎等高性能硬件保障需求。建設(shè)內(nèi)容包括服務(wù)器主機系統(tǒng)、存儲與備份系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（由軟件來控制及資源分配部分），在此硬件設(shè)施基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)一的虛擬化平臺，將這些資源抽象化為計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源，分別存放在計算資源池、存儲資源池和網(wǎng)絡(luò)資源池。

④網(wǎng)絡(luò)與計算資源調(diào)度平臺。主要基于云邊協(xié)同計算等技術(shù)，對虛擬化的計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源進行動態(tài)分配，滿足引江補漢工程信息化高效調(diào)度使用云網(wǎng)資源。

2.數(shù)字底座建設(shè)

①感知與智能設(shè)施管理平臺。對引江補漢工程感知體系和智能化設(shè)施進行統(tǒng)一接入、設(shè)備管理和反向操控。

②工程大數(shù)據(jù)平臺。匯聚全域工程地理空間數(shù)據(jù)、全要素模型數(shù)據(jù)、監(jiān)控監(jiān)測等業(yè)務(wù)感知和計算分析數(shù)據(jù)等，與基于BIM+GIS的工程信息模型平臺整合，展現(xiàn)工程全生命期各階段全貌和建設(shè)狀態(tài)，成為數(shù)據(jù)驅(qū)動工程建設(shè)模式的強大基礎(chǔ)。

③基于BIM+GIS的工程信息模型平臺。與工程大數(shù)據(jù)平臺融合，形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)一、監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合、二三維一體化的工程數(shù)字底座，是工程全域全要素實現(xiàn)精準映射、虛實互動的核心。

3.工程智能運行中樞建設(shè)

①共性技術(shù)賦能與應(yīng)用支撐平臺。匯聚人工智能、大數(shù)據(jù)、AR/VR等新技術(shù)基礎(chǔ)服務(wù)能力，以及引江補漢工程特有的場景服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、仿真服務(wù)等能力，為上層應(yīng)用提供技術(shù)賦能與統(tǒng)一開發(fā)服務(wù)支撐。

②專業(yè)模型與知識平臺。主要是工程建設(shè)、運營全生命周期各階段專業(yè)分析模型（如超前地質(zhì)預(yù)報模型、支護方案動態(tài)優(yōu)化、施工仿真模型、水量聯(lián)合調(diào)度模型、安全監(jiān)測分析模型等），以及根據(jù)工程大數(shù)據(jù)分析、專家經(jīng)驗等獲取的規(guī)則庫、知識圖譜等。如：根據(jù)TBM現(xiàn)場施工采集的視頻、影像，以及TBM本身感知信息，獲取施工質(zhì)量、進度、安全、資金等與現(xiàn)場環(huán)境的關(guān)聯(lián)規(guī)則；根據(jù)物聯(lián)感知數(shù)據(jù)和人工專家經(jīng)驗，建立樣本數(shù)據(jù)，進行機器學(xué)習(xí)，獲取如隧洞巖性分析、地質(zhì)鑒別等規(guī)則和知識；根據(jù)來水預(yù)測預(yù)報、用水數(shù)據(jù)等，進行反演和關(guān)聯(lián)分析，獲取水量調(diào)度的關(guān)聯(lián)知識圖譜。

③應(yīng)用開發(fā)支撐平臺與應(yīng)用開發(fā)組件。為應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)和運行提供必要的基礎(chǔ)功能支撐，包括為各類應(yīng)用提供二次開發(fā)、交互封裝、軟件運行的組件基礎(chǔ)，以及對各類服務(wù)（如視頻服務(wù)、空間數(shù)據(jù)服務(wù)、模型服務(wù)等）進行管理，并提供平臺自身管理功能。

4.數(shù)字孿生應(yīng)用體系建設(shè)

工程數(shù)字孿生應(yīng)用體系建設(shè)內(nèi)容不僅包括工程全生命期各階段應(yīng)用，更包括凸顯工程管理數(shù)字孿生特征的智慧應(yīng)用，如工程畫像、虛擬服務(wù)、動態(tài)可視化仿真、決策支持等，支撐工程超前地質(zhì)預(yù)報、動態(tài)支護施工方案優(yōu)化，保證施工安全和進度、實現(xiàn)精準調(diào)度。

①建設(shè)期數(shù)字孿生應(yīng)用?；诔邦A(yù)報監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)、勘探數(shù)據(jù)等構(gòu)建的規(guī)則和知識，進行地質(zhì)數(shù)據(jù)動態(tài)更新，支撐施工方案快速可視化，輔助隧洞支護方案動態(tài)調(diào)整及比選。BIM模型全生命期各階段繼承應(yīng)用等。根據(jù)專業(yè)模型與知識平臺中施工安全、進度、質(zhì)量、資金等要素的關(guān)聯(lián)規(guī)則，以及隧洞圍巖巖體智能識別、結(jié)構(gòu)面解譯、巖性分析與定量評價分析專業(yè)模型，輔助施工資源的合理有效配置和優(yōu)化施工方案，實現(xiàn)施工全要素管理的精細化和精益化。構(gòu)建建設(shè)期全要素聯(lián)動的領(lǐng)導(dǎo)駕駛艙，輔助施工決策分析。

②運營期數(shù)字孿生應(yīng)用?；跇?gòu)建的水量調(diào)度規(guī)則庫和知識圖譜，實現(xiàn)多個工程聯(lián)合、智能、精準的水量調(diào)度。通過來水等預(yù)測預(yù)報數(shù)據(jù)、用水監(jiān)測數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)分析得到的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)精細化用水管理。基于調(diào)水、用水的水質(zhì)、水量等監(jiān)測數(shù)據(jù)，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)保影響評估與決策分析。通過構(gòu)建的工程全域感知網(wǎng)，實現(xiàn)工程安全的實時/準實時動態(tài)監(jiān)測和工程設(shè)施設(shè)備的智慧化運維?；谡{(diào)水、用水、生態(tài)環(huán)保以及工程安全等數(shù)據(jù)分析和評估結(jié)果，輔助決策會商和應(yīng)急管理等。

四、數(shù)字孿生體系的關(guān)鍵技術(shù)

1.系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)架設(shè)計

引江補漢數(shù)字孿生工程服務(wù)于項目的建設(shè)期和運營期，建設(shè)周期長，覆蓋業(yè)務(wù)面廣，對系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、實時性、準確性、開放性、可擴展性、可維護性要求很高。

除了采用國內(nèi)最先進、成熟的基礎(chǔ)支撐，如3D GIS+BIM平臺、工作流引擎平臺、統(tǒng)一身份認證和單點登錄、電子簽章等外，還大力推進大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、5G等新一代信息技術(shù)在數(shù)字孿生引江補漢工程建設(shè)中的應(yīng)用，使系統(tǒng)架構(gòu)本身具有足夠的先進性和前瞻性，可以較好適應(yīng)技術(shù)設(shè)備和運行環(huán)境的升級和變遷。

工程信息化系統(tǒng)以“開發(fā)標準化、系統(tǒng)模塊化、操作工具化、運行容器化、應(yīng)用服務(wù)化”為技術(shù)路線，采用微服務(wù)架構(gòu)模式，根據(jù)業(yè)務(wù)實際需求，建設(shè)符合引江補漢工程智慧管理平臺的數(shù)據(jù)中臺、技術(shù)中臺及業(yè)務(wù)中臺。

采用微服務(wù)標準開發(fā)框架、服務(wù)化方式，提供“去中心化”服務(wù)調(diào)用；通過服務(wù)編排組合，快速滿足多應(yīng)用多前端的功能實現(xiàn)。建立工程數(shù)據(jù)資源統(tǒng)一管理平臺，對整合后的數(shù)據(jù)資源進行有效的管理、監(jiān)控，提供準確、便捷、高效的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。

基于大數(shù)據(jù)分析框架，進行深層次數(shù)據(jù)挖掘和綜合分析?；谖锫?lián)網(wǎng)平臺、數(shù)據(jù)中心、一體化應(yīng)用支撐平臺打造“全域感知、全程管控、全時決策”的全新系統(tǒng)架構(gòu)，解決跨網(wǎng)、跨系統(tǒng)、跨部門的協(xié)同問題，提升工程管理的智慧化水平。

2.智能水量調(diào)度模型

智能水量調(diào)度系統(tǒng)包括三個核心模型，分別為：年內(nèi)水量分配模型、實時水量調(diào)度模型和水量調(diào)度評價模型。其中實時調(diào)度模型最重要、最復(fù)雜。

為實現(xiàn)供水計劃目標，實時調(diào)度模型需要在運行調(diào)度過程中，根據(jù)實測水位、流量信息，由調(diào)度指揮機構(gòu)發(fā)送給各現(xiàn)地閘站的閘門需要達到的開度值。實時調(diào)度模型的算法開發(fā)和參數(shù)擬定以實時調(diào)度模擬模型為基礎(chǔ)。

實時調(diào)度模擬模型可以根據(jù)目標工況，進行控制操作及水力學(xué)響應(yīng)模擬，生成整個調(diào)度過程的模擬結(jié)果。通過模擬模型，檢驗所制定的調(diào)度規(guī)則、控制策略的合理性和有效性。模擬模型需要針對大量的工況、備選策略、算法和參數(shù)進行全時長模擬計算，對模型的智能性、適用性、靈活性和運算速度提出了較高要求。

智能水量調(diào)度系統(tǒng)，結(jié)合工程運行后大數(shù)據(jù)的積累，對模型參數(shù)不斷優(yōu)化。嘗試大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)在智能水量調(diào)度模型開發(fā)中的應(yīng)用，采用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)動態(tài)優(yōu)化水量調(diào)度，采用人工智能技術(shù)輔助實時調(diào)度決策。

五、結(jié) 語

引江補漢工程數(shù)字孿生體系架構(gòu)以提升建設(shè)效率、保證質(zhì)量安全為目標，通過四大橫向?qū)?、兩大縱向?qū)咏豢棙?gòu)建，內(nèi)設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字底座、運行中樞、孿生體系等內(nèi)容，實現(xiàn)了工程全生命周期管控，全方位施工輔助決策，多工程聯(lián)合、智慧、精準調(diào)度，創(chuàng)新應(yīng)用技術(shù)支撐等目標體系，為后續(xù)類似水利工程數(shù)字孿生項目實施提供了較好的借鑒。